DE4124738A1

DE4124738A1 - Mehrwertiges steuerverfahren und mehrwertiges steuersystem fuer hydraulisch betaetigten bagger

Info

Publication number: DE4124738A1
Application number: DE4124738A
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Moriya; Makoto Samejima; Yujiro Shimizu
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1992-02-06
Anticipated expiration: 2011-07-26
Also published as: JP2682891B2; JPH0483026A; DE4124738C2; FR2665199B1; FR2665199A1; US5699247A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 für den automatisierten Schaufelvorgang eines hydraulisch betätigten Baggers und insbesondere eines hydrau lisch betätigten Tieflöffelbaggers und ein Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3 für die Ausführung dieses Steuerverfah rens.

Ein hydraulischer Bagger kann als Kombination eines Fahrzeuges mit Eigenantrieb und eines Zusatzgerätes am vorderen Ende dieses Fahr zeugs dargestellt werden. Das Fahrzeug selbst wird in ein Ketten-Fahr gestell und ein darauf schwenkbar angebrachtes oberes Gehäuse, das eine Führerkabine enthält, unterteilt. Das Zusatzgerät am vorderen Ende des Fahrzeugs umfäßt einen Ausleger, der am Fahrzeug mittels einer Greiferbetätigungsverbindung funktional unterstützt wird. Die Greiferbetätigungsverbindung umfaßt einen an einem seiner Enden am Fahrzeug angelenkten Ausleger und einen Hebel oder Arm, der mit ei nem seiner Enden am anderen Ende des Auslegers und mit seinem an deren Ende am Greifer schwenkbar angebracht ist. Zum Schwenken des Auslegers relativ zum Fahrzeug, des Hebels relativ zum Ausleger und des Greifers relativ zum Hebel sind Hydraulikzylinder oder Hydraulikstempel vorgesehen. Für den Antrieb des Fahrzeugs und zum Drehen des Gehäuses relativ zum Fahrgestell sind Hydraulikmotoren vorgesehen.

Solange die vor einiger Zeit aufgetretenen elektronischen Steuersy steme noch nicht allgemein üblich waren, wurden hydraulisch betätigte Bagger des oben skizzierten Aufbaus für lange Zeit rein manuell betätigt. Die Bedienungsperson mußte in der Kabine viele Hebel betätigen. Als jedoch die Knappheit von ausgebildeten Arbeitern in der Bauindustrie zu einem ernsten Problem wurde, wurden die Forde rungen nach einer Erleichterung der Bedienbarkeit von solchen Erdbe wegungsmaschinen immer lauter. Daher wurden für solche Maschinen elektronische Steuersysteme entwickelt und in jene eingebaut, um den Schaufelvorgang zu automatisieren.

Ein typisches Steuersystem für hydraulisch betätigte Bagger, wie es im Stand der Technik vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt worden ist, umfaßt Sensoren zum Ermitteln der Winkelpositionen des oberen Gehäuses relativ zum Fahrgestell, des Auslegers relativ zum Gehäuse, des Hebels oder Arms relativ zum Ausleger und des Greifers relativ zum Hebel. Die Ausgangssignale dieser Sensoren werden in einem sol chen herkömmlichen Steuersystem an einen Greiferpositions-Rechner geliefert, der dann die momentane Auskipposition und die Stellung des Greifers geometrisch berechnet. Die Daten der Greifer-Auskipposition und die Daten der Greiferstellung werden in eine Steuereinrichtung eingegeben. Wenn die gewünschte Startposition und die gewünschte Endposition eines auszuführenden Schürfvorgangs in diese Steuerein richtung manuell eingegeben werden, steuert die Steuereinrichtung die Hydraulikstempel und die Hydraulikmotoren derart, daß der Greifer entlang einer gewünschten Bahn, die entweder geradlinig oder ge krümmt sein kann, einen Schürfvorgang ausführt. Die Bedienungsper son besitzt hierbei die Wahl zwischen einer manuellen und einer auto matischen Schürf- bzw. Schaufel-Betriebsart.

Obwohl im System des Standes der Technik der Schürfvorgang auto matisiert werden konnte, waren die Gleichmäßigkeit oder die Flexibi lität der Greiferbewegung angesichts verschiedener Arten von zu schürfendem Erdreich unbefriedigend. Jede erfahrene Bedienungsperson kann die Eigenschaften (Härte, Zähigkeit usw.) des Erdreichs "fühlen", wenn der Greifer in dieses Erdreich greift. Entsprechend betätigt diese Bedienungsperson die Hebel auf eine Weise, von der sie aus Erfahrung weiß, daß sie für die besondere Art von Erdreich für den wirksamsten Schaufelvorgang bei geringster Energieverschwendung am besten geeignet ist. Im automatisierten System des Standes der Technik werden jedoch die Greiferbewegungen so gesteuert, daß eine vorgegebene Bahn unabhängig von der Art des zu schürfenden Erdreichs verfolgt wird. Daher ist bei einem herkömmlichen Steuersystem ein effizienter Schaufelvorgang nicht zu erwarten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerverfah ren und ein Steuersystem für einen hydraulisch betätigbaren Bagger zu schaffen, bei denen unter Verwendung einer mehrwertigen Verarbei tung (Fuzzy-Verarbeitung) das Erfahrungswissen von erfahrenen Be dienungspersonen ausgenutzt wird, derart, daß der Bagger bei einer Bedienung durch eine unerfahrene Bedienungsperson automatisch einen Schaufelvorgang so effizient ausführen kann, wie dies bei einer Betäti gung durch eine geübte Bedienungsperson der Fall wäre.

Diese Aufgabe wird bei einem Steuerverfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bei einem Steuersystem der gattungsgemäßen Art er findungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des An spruches 3 gelöst.

Im allgemeinen steuert eine geübte Bedienungsperson von Hand die je weilige Tiefe des Schürfvorgangs entsprechend dem dem Greifer ent gegengebrachten Widerstand, wenn sich dieser in das Erdreich gräbt. Die Bedienungsperson wird bei hartem Erdreich einen flachen Schürf vorgang ausführen, während sie bei weichem Erdreich einen tiefen Schürfvorgang vornimmt. Die in einem erfindungsgemäßen Speicher mittel gespeicherten mehrwertigen Steuerregeln werden auf der Grundlage des Erfahrungswissens von erfahrenen Bedienungspersonen im voraus bestimmt.

Jede Steuerregel besitzt eine Eingangsstellgröße und eine Ausgangs stellgröße. Jede Eingangsstellgröße kann Zugehörigkeitsfunktionen der Greifergeschwindigkeit relativ zum Hebel oder Arm und der Hebelge schwindigkeit relativ zum Ausleger enthalten. Jede Ausgangsstellgröße kann Zugehörigkeitsfunktionen von Befehlswerten, die an ein Ausleger-Betätigungsmittel, ein Hebel-Betätigungsmittel und ein Greifer-Betätigungsmittel gegeben werden, enthalten. Für den automatischen Schaufelvorgang berechnet ein Rechenmittel die Befehlswerte entsprechend den erfaßten Greifer- und Hebelgeschwindigkeiten und entsprechend den Steuerregeln, wodurch die Maschine so gesteuert wird, daß der Greifer einen Schürfvorgang ausführt, der für die besondere Art des Erdreichs geeignet ist.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den weiteren Nebenansprüchen und im Unteranspruch angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines hydraulisch betätigten Tieflöffel baggers in Verbindung mit einem Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen mehrwertigen Steuersystems zum Steuern des Betriebs des Tieflöffelbaggers;

Fig. 2 eine graphische Darstellung von beispielhaften Zugehö rigkeitsfunktionen, die für die Eingangsstellgrößen der erfindungsgemäßen mehrwertigen Steuerregeln verwen det werden;

Fig. 3 eine graphische Darstellung von beispielhaften Zugehö rigkeitsfunktionen, die für die Ausgangsstellgrößen der erfindungsgemäßen mehrwertigen Steuerregeln verwen det werden;

Fig. 4A, 4B graphische Darstellungen sämtlicher in dem in Fig. 1 ge zeigten Steuersystem verwendeter mehrwertiger Steuer regeln, wobei diese auf zwei Zeichnungsblätter aufge teilten Darstellungen außerdem die Verwendung der Steuerregeln im Steuersystem erläutern; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Steuerpro gramms, das in der Steuereinrichtung des in Fig. 1 ge zeigten Steuersystems implementiert ist.

Das erfindungsgemäße mehrwertige Steuerverfahren und das erfin dungsgemäße mehrwertige Steuersystem werden nun anhand einer An wendung auf einen hydraulisch betätigten Tieflöffelbagger, der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, im einzelnen beschrieben. Der Tieflöffelbagger 10 umfaßt im allgemeinen ein selbstangetriebenes Fahrzeug 12 und ein an dessen vorderem Ende angebrachtes Zusatzge rät 14. Das Fahrzeug 12 ist als Kombination eines Ketten-Fahrgestells 16 und eines oberen Gehäuses 18, das eine Führerkabine 20 aufweist, dargestellt. Das obere Gehäuse 18 ist auf dem Fahrgestell 16 so ange bracht, daß es relativ zu diesem Fahrgestellt 16 um eine vertikale Achse in zwei Richtungssinnen gedreht werden kann. Es wird angenommen, daß der Tieflöffelbagger 10 wie im Stand der Technik (nicht gezeigte) Hydraulikmotoren aufweist, mit denen einerseits das Fahrzeug 12 an getrieben wird und andererseits das obere Gehäuse 18 relativ zum Fahrgestell 16 in zwei Richtungssinnen gedreht werden kann.

Das am vorderen Ende des Fahrzeugs 12 vorgesehene Zusatzgerät 14 umfaßt einen Ausleger 22, einen Hebel oder Arm 24 und einen Greifer 26. Ein Ende des Auslegers 22 ist im Punkt 28 am Gehäuse 18 ange lenkt, während das andere Ende im Punkt 30 mit dem Arm 24 schwenkbar verbunden ist. Das andere Ende des Arms 24 ist im Punkt 32 mit dem hinteren Ende des Greifers 26 schwenkbar verbunden. Der Greifer 26 besitzt in einem Abstand vom hinteren Ende ein Schürfende 33.

Zwischen dem Gehäuse 18 und dem Ausleger 22 ist ein Paar von hydraulischen Auslegerstempeln 34, von denen einer gezeigt ist, funk tional eingesetzt, um die Schwenkbewegung des Auslegers um den Bolzen 28 zu steuern. Der Ausdruck "Hydraulikstempel" wird hierbei im herkömmlichen Sinn verwendet und bedeutet ein im allgemeinen als Hydraulikzylinder bekanntes doppelt wirkendes lineares Betätigungs element. Zwischen dem Ausleger 22 und dem Arm 24 ist ein hydrauli scher Armstempel 36 funktional eingesetzt, um die Schwenkbewegung des Arms um den Bolzen 30 zu steuern. Zwischen den Arm 24 und den Greifer 26 ist ein hydraulischer Greiferstempel 38 funktional einge setzt, um die Schwenkbewegung des Greifers um den Bolzen 32 zu steuern.

Der bis hierher beschriebene Aufbau des hydraulisch betätigten Tieflöf felbaggers 10 ist im Stand der Technik wohl bekannt und beinhaltet kein erfinderisches Merkmal. In der folgenden Beschreibung werden die neuen Merkmale der Erfindung, die sich hauptsächlich auf das in den Bagger eingebaute Steuersystem beziehen, beschrieben.

Das erfindungsgemäße Steuersystem umfaßt einen Gehäusedrehungs sensor 40, einen Auslegerwinkelsensor 42, einen Armwinkelsensor 44 und einem Greiferwinkelsensor 46. Der Gehäusedrehungssensor 40 er zeugt ein elektrisches Signal, das die Winkelposition des Gehäuses 18 in bezug auf das Fahrgestell 16 angibt. Der an einen der Auslegerstem pel 34 angebrachte Auslegerwinkelsensor 42 erzeugt auf der Grundlage der Streckung oder der Kontraktion der Auslegerstempel ein elektri sches Signal, das die Winkelposition des Auslegers 22 in bezug auf das Gehäuse 18 angibt. Der Armwinkelsensor 44 bzw. der Greiferwinkel sensor 46 sind am Armstempel 36 bzw. am Greiferstempel 38 ange bracht, um elektrische Signale zu erzeugen, die die Winkelpositionen des Arms 24 in bezug auf den Ausleger 22 bzw. die Winkelposition des Greifers 26 in bezug auf den Arm 24 angeben.

Die vier Sensoren 40, 42, 44 und 46 sind alle mit einem Greiferpositi ons-Rechner 48 verbunden. Wenn die elektrischen Signale von den vier Sensoren in den Greiferpositions-Rechner 48 eingegeben werden, be rechnet dieser geometrisch die momentane Position des Schürfendes 33 des Greifers 26.

Der Auslegerwinkelsensor 42, der Armwinkelsensor 44 und der Grei ferwinkelsensor 46 sind außerdem einzeln mit drei Positions- /Geschwindigkeitsumwandlern 50 verbunden. Wenn die Winkelsenso ren 42, 44 und 46 eine Information über die den Ausleger 22, den Arm 24 bzw. den Greifer 26 betreffende Position erzeugen, übersetzt der Umwandler 50 diese Information in entsprechende Geschwindigkeits daten und liefert diese an eine erste Gruppe von Recheneinheiten 52. Die Positionsdaten von den Winkelsensoren 42, 44 und 46 werden au ßerdem direkt in die Recheneinheiten 52 eingegeben.

Ferner ist mit der ersten Gruppe von Recheneinheiten 52 ein Speicher 54 verbunden, in dem die mehrwertigen Steuerregeln gespeichert sind, die im voraus auf der Grundlage des Erfahrungswissens erfahrener Tieflöffelbagger-Bedienungspersonen festgelegt worden sind. Die im Speicher 54 gespeicherten Steuerregeln können folgendermaßen kurz zusammengefaßt werden:

Steuerregel I
(V_bk ist PB) und (V_am ist PB)
(J_bk ist PS) und (J_am ist PB) und (J_bm ist Z)

Steuerregel II
(V_bk ist PS) und (V_am ist PB)
(J_bk ist PB) und (J_am ist PM) und (J_bm ist PS)

Steuerregel III
(V_bk ist PB) und (V_am ist PS)
(J_bk ist PS) und (J_am ist PM) und (J_bm ist PS)

Steuerregel IV
(V_bk ist PS) und (V_am ist PB)
(J_bk ist PB) und (J_am ist PB) und (J_bm ist PM)

In jeder der oben angegebenen Steuerregeln stellt die obere Zeile die Eingangsstellgröße dar, während die untere Zeile die Ausgangsstell größe ist. Die in den Steuerregeln verwendeten Abkürzungen sind fol gendermaßen definiert:

V_bk = Greifergeschwindigkeit
V_am = Armgeschwindigkeit
V_bm = Auslegergeschwindigkeit
J_bk = Greifer-Steuerbefehl
J_am = Arm-Steuerbefehl
J_bm = Ausleger-Steuerbefehl
PB = positiv und groß
PM = positiv und mittel
PS = positiv und klein
Z = null

Daher gibt beispielsweise die Steuerregel I an, daß bei einer positiven und hohen Geschwindigkeit des Greifers und bei einer positiven und hohen Geschwindigkeit des Arms der Greifer mit positiver und kleiner Geschwindigkeit und der Arm mit positiver und großer Geschwindig keit betätigt werden sollten und daß der Ausleger nicht betätigt werden sollte.

Da die Steuerregeln numerisch dargestellt werden müssen, werden konkret Zugehörigkeitsfunktionen entsprechend der Theorie der mehr wertigen Verarbeitung (Fuzzy-Theorie) verwendet. In Fig. 2 sind die Zugehörigkeitsfunktionen von PS und PB, die in den Eingangsstellgrö ßen der Steuerregeln verwendet werden, graphisch dargestellt. In Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung der Zugehörigkeitsfunktionen von PB, PM, PS und Z, die in den Ausgangsstellgrößen der Steuerregeln ver wendet werden, gezeigt.

In Fig. 4 sind die tatsächlichen Zugehörigkeitsfunktionen für die vier Steuerregeln gezeigt. Die Eingangsstellgrößen und die Ausgangsstell größen der Steuerregeln sind auf zwei getrennten Zeichnungsblättern, die mit Fig. 4A und mit Fig. 4B bezeichnet werden, gezeigt. Die Pfeile 56, 58, 60 und 62 geben die Fortsetzung zwischen den Fig. 4A und 4B an. Wenn vom Speicher 54 die Steuerregeln und von den Um wandlern 50 Geschwindigkeitsdaten in die Recheneinheiten 52 ein gegeben werden, arbeiten diese auf die im folgenden mit Bezug auf die Fig. 4A und 4B beschriebene Weise.

Aufgrund der eingegebenen Daten, die die Greifergeschwindigkeit V_bk und die Armgeschwindigkeit V_am darstellen, bestimmen die Rechen einheiten 52 zunächst für die jeweiligen Steuerregeln die entsprechen den Zugehörigkeitswerte der Zugehörigkeitsfunktionen, die in Fig. 4A bei (A) und (B) gegeben sind. Dann wählt jede Recheneinheit 52 den kleineren der zwei bestimmten Zugehörigkeitswerte aus. Anschließend werden die Zugehörigkeitsfunktionen des Greifer-Steuerbefehls J_bk, des Arm-Steuerbefehls J_am und des Ausleger-Steuerbefehls J_bm, die in Fig. 4B bei (C), (D) bzw. (E) gegeben sind und die die Ausgangsstell größen für jede Steuerregel darstellen, anhand des oben gewählten kleineren Zugehörigkeitswertes der Eingangsstellgröße der entspre chenden Steuerregel korrigiert. In Fig. 4B sind die unkorrigierten Zu gehörigkeitsfunktionen der Steuerregel-Ausgangsstellgrößen durch ge strichelte Linien dargestellt, während die korrigierten Zugehörigkeits funktionen durch durchgezogene Linien dargestellt werden. Dann wer den die Schwerpunkts-Zugehörigkeitswerte der korrigierten Zugehö rigkeitsfunktionen und die Steuerbefehlswerte für den Ausleger, den Arm und den Greifer bestimmt.

Die Schwerpunkts-Zugehörigkeitswerte und die Steuerbefehlswerte, die wie oben beschrieben erhalten werden, werden in eine zweite Gruppe von drei Recheneinheiten 64, die dem Ausleger 22, dem Arm 24 und dem Greifer 26 entsprechen, geschickt. Diese Recheneinheiten 64 ar beiten einen Prozeß gemäß der folgenden Gleichung ab, um die ge wichteten Mittelwerte der Eingangsvariablen zu erhalten:

J_i = ΣP_n · J_ni/ΣP_n

wobei

J_i = End-Steuerbefehlswerte für die Auslegerstempel, Armstempel und Greiferstempel
P_n = Zugehörigkeitswert der Steuerregel n
J_ni = Befehlswert der Steuerregel n.

Der Buchstabe n stellt die Anzahl der anwendbaren Steuerregeln dar. Wenn beispielsweise V_bk größer als 0,33 und kleiner als 0,66 ist, ist V_bk sowohl PS als PB. Wenn außerdem V_am größer als 0,33 und klei ner als 0,66 ist, ist V_am sowohl PS als auch PB. Daher ist (V_bk, V_am) gleich (PS, PS), (PS, PB), (PB, PS) und (PB, PB). Daher besitzt in die sem Fall n den Wert "vier". Wenn jedoch V_bk gleich oder größer als 0 und gleich oder kleiner als 0,33 ist und wenn V_am größer als 0,33 und kleiner als 0,66 ist, ist V_bk nur PS. Daher ist (V_bk, V_am) gleich (PS, PS) und (PS, PB). Daher besitzt in diesem Fall n den Wert "zwei". Sämtliche Elemente der zweiten Gruppe von Recheneinheiten 64 sind mit einer Steuereinrichtung 66 verbunden, an die sie die oben berech neten End-Steuerbefehlswerte für die Ausleger-, die Arm- und die Greiferstempel liefern. Der Greiferpositions-Rechner 48 ist ebenfalls mit der Steuereinrichtung 66 verbunden, damit er an diese die Daten, die die momentane Position P des Schürfendes 33 des Greifers 26 dar stellen, liefern kann. Ferner ist mit der Steuereinrichtung 66 ein Einga bemittel verbunden, das in Fig. 1 als Steuerkonsole 68 dargestellt ist. Die Bedienungsperson gibt über die Steuerkonsole 68 eine gewünschte Startposition P_s und eine gewünschte Endposition P_e des Schürfendes 33 für einen auszuführenden Schürfvorgang ein.

Wenn die Steuereinrichtung 66 die Daten der momentanen Greiferposi tion P vom Greiferpositionsrechner 48, die End-Steuerbefehlsdaten von den Recheneinheiten 64 und die Daten der gewünschten Greiferposition P_s und P_e von der Steuerkonsole 68 empfängt, arbeitet sie ein Steuer programm ab, das in dem Flußdiagramm von Fig. 5 gezeigt ist und all gemein mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist. Die Steuereinrich tung 66 ist mit einem geeigneten (nicht gezeigten) Steuer- und Trei bermittel verbunden, das sowohl die Ausdehnung und die Kontraktion der Hydraulikstempel 34, 36 und 38 als auch die Drehung des (nicht gezeigten) Hydraulikmotors für die Drehung des Gehäuses 18 in zwei Richtungssinnen aufgrund der Befehle von der Steuereinrichtung be wirkt. Im folgenden wird das in der Steuereinrichtung 66 implemen tierte Steuerprogramm 70 erläutert.

In einem Schritt 72 des Steuerprogramms 70 werden die gewünschte Startposition P_s und die gewünschte Endposition P_e des Schürfendes 33 des Greifers 26 für einen auszuführenden Schürfvorgang eingege ben. Dann wird ein mit "Auto" bezeichneter logischer Knoten 74 er reicht, der der Maschine befiehlt, mit dem Schürfvorgang im automati schen Betriebsmodus zu beginnen. Im Schritt 76 reagiert die Steuerein richtung 66 auf den Befehl für den automatischen Schürfvorgang, in dem sie die Maschine dazu veranlaßt, das Schürfende 33 des Greifers 26 von seiner momentanen Position P in die gewünschte Startposition P_s zu bewegen.

Mit dem tatsächlichen Schürfvorgang im Erdreich wird begonnen, wenn die Steuereinrichtung 66 anschließend im Schritt 78 mit dem ge steuerten Betrieb der Ausleger-, Arm- und Greiferstempel entsprechend den End-Steuerbefehlswerten, die von der zweiten Gruppe von Re cheneinheiten 64 erhalten worden sind, beginnt. Es wird darauf hinge wiesen, daß im Gegensatz zum Stand der Technik der Greifer keiner vorgegebenen Bahn zwischen der Startposition P_s und der Endposition P_e, sondern einem veränderlichen Weg folgt, der entsprechend der er findungsgemäßen mehrwertigen Steuerung (Fuzzy-Steuerung) erhalten wird. Daher wird die Maschine in Abhängigkeit von der Art des Erd reichs eine veränderliche Menge des Erdreichs schürfen, so daß sie höchst effizient wie unter der manuellen Steuerung einer erfahrenen Bedienungsperson arbeitet.

Im Verlauf eines solchen Schürfvorgangs werden die Daten der mo mentanen Greiferposition vom Greiferpositions-Rechner 48 ständig wie im Schritt 78 aktualisiert, so daß die Steuereinrichtung 66 in jedem Moment die momentane Position P des Schürfendes 33 des Greifers 26 kennt. Anschließend bestimmt die Steuereinrichtung 66 in einem logi schen Knoten 80, ob die momentane Greiferposition P mit der ge wünschten Endposition P_e übereinstimmt. Die Steuereinrichtung 66 wiederholt die Erzeugung der End-Steuerbefehlswerte, bis die momen tane Position P mit der gewünschten Endposition P_e übereinstimmt. Im nächsten Schritt 82, zu dem das Programm weitergeht, wenn der ge wünschte Schürfhub beendet worden ist, stellt einen herkömmlichen Schritt dar, in dem der Greifer anschließend in eine gewünschte Entla deposition befördert wird und entleert wird, wie dies allgemein bekannt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Zyklus des automatischen Greiferbela dungs- und -entladungsvorgangs abgeschlossen, so daß ein solcher Zy klus anschließend wiederholt werden kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung sehr spezifisch anhand eines hydraulisch betätigten Tieflöffelbaggers gezeigt und beschrieben wor den ist, kann die Erfindung in einer Reihe von Abweichungen von der erläuterten Ausführungsform verwirklicht werden. Die grundsätzlichen Lehren dieser Erfindung können auf andere Typen von Baggern und Erdbewegungsmaschinen angewendet werden. Außerdem können in der erläuterten Ausführungsform die Winkelsensoren 42, 44 und 46, die Winkelpositionen des Auslegers, des Arms und des Greifers gege benenfalls nicht anhand der Ausdehnung und der Kontraktion der Hydraulikstempel, sondern direkt anhand der Winkel des Auslegers relativ zum Gehäuse, des Arms relativ zum Ausleger und des Greifers relativ zum Arm bestimmen. Verschiedene andere Abwandlungen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung sind denkbar, ohne daß der Bereich der Erfindung, der durch die Patentansprüche angegeben wird, verlassen wird.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Steuerung des Schürfbetriebs eines Baggers (10), wobei der Bagger einen Ausleger (22), der an ei nem Ende (28) mit einem Fahrzeug (12) schwenkbar verbunden ist, einen Arm (24), der an einem Ende (30) mit dem anderen Ende (30) des Auslegers (22) schwenkbar verbunden ist, einen Greifer (26), der ein hinteres Ende (32) und ein Schürfende (33) besitzt und mit dem hinteren Ende (32) mit dem anderen Ende (32) des Arms (24) schwenkbar verbunden ist, ein Auslegerbetätigungsmittel (34) zum Schwenken des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), ein Armbe tätigungsmittel (36) zum Schwenken des Arms (24) relativ zum Ausle ger (22) und ein Greiferbetätigungsmittel (38) zum Schwenken des Greifers (26) relativ zum Arm (24) umfaßt, gekennzeichnet durch die Schritte

(a) des Feststellens der momentanen Position des Schürfendes (33) des Greifers (26);
(b) des Veranlassens des Auslegerbetätigungsmittels (34), des Armbetätigungsmittels (36) und des Greiferbetätigungsmittels (38) zum Bewegen des Schürfendes (33) des Greifers (26) in eine gewünschte Startposition (P_s) eines auszuführenden Schürfvorgangs;
(c) des Erfassens der Bewegungsgeschwindigkeit des Greifers (26) relativ zum Arm (24) und des Arms (24) relativ zum Ausleger (22); und
(d) des Beziehens der erfaßten Bewegungsgeschwindigkeit des Greifers (26) und des Arms (24) auf einen Satz von mehrwertigen Steuerregeln, um die Befehlswerte zur Steuerung des Auslegerbetäti gungsmittels (34), des Armbetätigungsmittels (36) und des Greiferbetä tigungsmittels (38) so zu bestimmen, daß der Greifer (26) zwischen der Startposition (P_s) und einer gewünschten Endposition (P_e) auf eine Weise Erdreich schürft, die der Art des Erdreichs angepaßt ist.

2. Verfahren zur automatischen Steuerung des Schürfbetriebs eines Baggers (10), wobei der Bagger einen Ausleger (22), der an ei nem Ende (28) mit einem Fahrzeug (12) schwenkbar verbunden ist, einem Arm (24), der an einem Ende (30) mit dem anderen Ende (30) des Auslegers (22) schwenkbar verbunden ist, einen Greifer (26), der mit dem anderen Ende (32) des Arms (24) schwenkbar verbunden ist, ein Auslegerbetätigungsmittel (34) zum Schwenken des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), ein Armbetätigungsmittel (36) zum Schwenken des Arms (24) relativ zum Ausleger (22) und ein Greifer betätigungsmittel (38) zum Schwenken des Greifers (26) relativ zum Arm (24) umfaßt, gekennzeichnet durch die Schritte

(a) des Vorbereitens eines Satzes von mehrwertigen Steuerre geln, von denen jede eine Eingangsstellgröße und eine Ausgangsstell größe besitzt, wobei jede Eingangsstellgröße Zugehörigkeitsfunktionen der Geschwindigkeit des Greifers (26) relativ zum Arm (24) und der Geschwindigkeit des Arms (24) relativ zum Ausleger (22) enthält und wobei jede Ausgangsstellgröße Zugehörigkeitsfunktion von an das Auslegerbetätigungsmittel (34), an das Armbetätigungsmittel (36) und an das Greiferbetätigungsmittel (38) auszugebenden Befehlswerten ent hält;
(b) des Berechnens der Bewegungsgeschwindigkeit des Greifers (26) relativ zum Arm (24) und des Arms (24) relativ zum Ausleger (22);
(c) des Beziehens der berechneten Greifergeschwindigkeit und der berechneten Armgeschwindigkeit auf die Zugehörigkeitsfunktionen der Eingangsstellgröße einer jeden mehrwertigen Steuerregel, um die entsprechenden Zugehörigkeitswerte zu bestimmen;
(d) des Auswählens des kleineren derjenigen Zugehörigkeits werte, die im Schritt (c) für jede mehrwertige Steuerregel bestimmt worden sind;
(e) des Korrigierens der Zugehörigkeitsfunktionen der Ausgangs stellgröße einer jeden mehrwertigen Steuerregel mittels des im Schritt (d) gewählten kleineren Zugehörigkeitswertes dieser mehrwertigen Steuerregel;
(f) des Bestimmens des Schwerpunktwertes der korrigierten Zu gehörigkeitsfunktion der Ausgangsstellgrößen einer jeden mehrwerti gen Steuerregel; und
(g) des Bestimmens der gewichteten Mittelwerte der Schwer punktwerte der korrigierten Zugehörigkeitsfunktionen für sämtliche mehrwertigen Steuerregeln, um das Auslegerbetätigungsmittel (34), das Armbetätigungsmittel (36) und das Greiferbetätigungsmittel (38) zu steuern.

3. Bagger, der für einen automatischen Schürfbetrieb unter einer mehrwertigen Steuerung ausgelegt ist, mit:

(a) einem Fahrzeug (12);
(b) einem Ausleger (22), der an einem Ende (28) mit dem Fahr zeug (12) schwenkbar verbunden ist;
(c) einem Arm (24), der an einem Ende (30) mit dem anderen Ende (30) des Auslegers (22) schwenkbar verbunden ist;
(d) einem Greifer (26), der mit dem anderen Ende (32) des Arms (24) schwenkbar verbunden ist;
(e) einem Auslegerbetätigungsmittel (34) zum Schwenken des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12);
(f) einem Armbetätigungsmittel (36) zum Schwenken des Arms (24) relativ zum Ausleger (22); und
(g) einem Greiferbetätigungsmittel (38) zum Schwenken des Greifers (26) relativ zum Arm (24),

gekennzeichnet durch

(h) Sensormittel (42, 44, 46) zum Erzeugen von Positionssigna len, die die Winkelpositionen des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), des Arms (24) relativ zum Auslger (22) und des Greifers (26) relativ zum Arm (24) angeben;
(i) ein Umwandlungsmittel (50), das mit den Sensormitteln (42, 44, 46) verbunden ist, um die Positionssignale in Geschwindigkeitssi gnale umzusetzen, die die Bewegungsgeschwindigkeiten des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), des Arms (24) relativ zum Ausleger (22) und des Greifers (26) relativ zum Arm (24) angeben;
(j) ein Speichermittel (54) zum Speichern eines Satzes von mehrwertigen Steuerregeln in Form von Zugehörigkeitsfunktionen zum Steuern des Auslegerbetätigungsmittels (34), des Armbetätigungsmittels (36) und des Greiferbetätigungsmittels (38);
(k) Rechenmittel (52, 64), die mit dem Umwandlungsmittel (50) und dem Speichermittel (54) verbunden sind, um auf der Grundlage der Geschwindigkeitssignale und der mehrwertigen Steuerregeln Befehls werte für das Auslegerbetätigungsmittel (34), das Armbetätigungsmittel (36) und das Greiferbetätigungsmittel (38) zu berechnen; und
(l) ein Steuermittel, das mit den Sensormitteln (42, 44, 46) und mit den Rechenmitteln (52, 64) verbunden ist, um auf der Grundlage der Positionssignale und der Befehlswerte das Auslegerbetätigungsmit tel (34), das Armbetätigungsmittel (36) und das Greiferbetätigungsmit tel (38) für einen optimalen Schürfbetrieb zu steuern.

4. Bagger, der für einen automatischen Schürfbetrieb von Erd reich in einer an die Art des Erdreichs angepaßten Weise unter einer mehrwertigen Steuerung ausgelegt ist, mit

(a) einem Fahrzeug (12);
(b) einem Ausleger (22), der an einem Ende (28) mit dem Fahr zeug (12) schwenkbar verbunden ist;
(c) einem Arm (24), der an einem Ende (30) mit dem anderen Ende (30) des Auslegers (22) schwenkbar verbunden ist;
(d) einem Greifer (26), der mit dem anderen Ende (32) des Arms schwenkbar verbunden ist, wobei der Greifer (26) ein hinteres Ende und ein Schürfende (33) besitzt und mit dem hinteren Ende mit dem Arm (24) verbunden ist;
(e) einem Auslegerbetätigungsmittel (34) zum Schwenken des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12);
(f) einem Armbetätigungsmittel (36) zum Schwenken des Arms (24) relativ zum Ausleger (22); und
(g) einem Greiferbetätigungsmittel (38) zum Schwenken des Greifers (26) relativ zum Arm (24),

gekennzeichnet durch

(h) Sensormittel (42, 44, 46) zum Erzeugen von Positionssigna len, die die Winkelpositionen des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), des Arms (24) relativ zum Ausleger (22) und des Greifers (26) relativ zum Arm (24) angeben;
(i) ein Berechnungsmittel (48), das mit den Sensormitteln (42, 44, 46) verbunden ist, um auf der Grundlage der Positionssignale die momentane Position (P) des Schürfendes (33) des Greifers (26) zu be rechnen;
(j) ein Umwandlungsmittel (50), das mit den Sensormitteln (42, 44, 46) verbunden ist, um die Positionssignale in Geschwindigkeitssi gnale umzusetzen, die die Bewegungsgeschwindigkeiten des Auslegers (22) relativ zum Fahrzeug (12), des Arms (24) relativ zum Ausleger (22) und des Greifers (26) relativ zum Arm (24) angeben;
(k) ein Speichermittel (54) zum Speichern eines Satzes von Steu erregeln in Form von Zugehörigkeitsfunktionen zum Steuern des Aus legerbetätigungsmittels (34), des Armbetätigungsmittels (36) und des Greiferbetätigungsmittels (38);
(l) Rechenmittel (52, 64), die mit dem Umwandlungsmittel (50) und mit dem Speichermittel (54) verbunden sind, um auf der Grundlage der Geschwindigkeitssignale und der Steuerregeln Befehlswerte für das Auslegerbetätigungsmittel (34), das Armbetätigungsmittel (36) und das Greiferbetätigungsmittel (38) zu berechnen;
(m) ein Eingabemittel (68) zur manuellen Eingabe einer ge wünschten Startposition (P_s) und einer gewünschten Endposition (P_e) des Schürfendes (33) des Greifers (26) für einen auszuführenden Schürfvorgang; und
(l) ein Steuermittel (66), das mit dem Berechnungsmittel (48), den Rechenmitteln (52, 64) und dem Eingabemittel (68) verbunden ist, um das Auslegerbetätigungsmittel (34), das Armbetätigungsmittel (36) und das Greiferbetätigungsmittel (38) so zu steuern, daß der Greifer (26) zwischen der gewünschten Startposition (P_s) und der gewünschten Endposition (P_e) auf eine Weise Erdreich schürft, die an die Art des Erdreichs angepaßt ist.

5. Bagger gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede mit Speichermittel (54) gespeicherte Steuerregel eine Eingangsstellgröße mit Zugehörigkeitsfunktionen der Bewegungsgeschwindigkeiten des Greifers (26) und des Arms (24) und eine Ausgangsstellgröße mit Zu gehörigkeitsfunktionen von Befehlswerten, die an das Auslegerbetäti gungsmittel (34), an das Armbetätigungsmittel (36) und an das Greifer betätigungsmittel (38) gegeben werden sollen, enthält.